原标题：综合电力系统——让战舰“心脏”动能更强劲
■曹 蒙 王利伟
在现代海军发展史上，每一次动力系统方面的重大革新都深刻改变了海战形态——从风帆动力到蒸汽（机）动力，从燃气（轮机）动力到核动力。而今天，随着相关技术的逐渐成熟，战舰内部悄然掀起一场能源革命，开始采用综合电力系统（IPS）提供动力。
与传统舰船动力、电力二维能量输出结构不同，战舰综合电力系统是将能源以电力的形式输出，统筹管理、分配和使用，通过舰上电网为推进系统、作战系统和日用设备提供电能。这种新型方式，不仅顺应了战舰上用电装备设备日益增多的趋势，而且有效提升了战舰航行及作战效能，并将对未来海上作战样式产生影响。
起源“综合电站”
回顾世界战舰的发展历史，其推进方式有着明显阶段性。大体上来说，战舰经历了人力推进、机械推进、电力推进、综合电力系统推进的发展过程。综合电力系统推进，是当前各国谋求达到的新阶段。
人力推进不言自明。机械推进是指舰船通过复杂的机械传动结构获得动力的推进方式。简单地说，就是由燃气驱动齿轮，通过轴系推动螺旋桨。这种推进方式通常能量损耗较大，且柴油机、燃气轮机等设备所占空间较大。
20世纪80年代，随着推进电机、电力电子变流设备、计算机控制等技术的迅猛发展，电力推进系统的功率密度、可靠性和效率进一步提升，且因当时对舰船隐蔽性、机动性等提出了更高要求，电力推进的优势逐步显现，并运用到战舰上。阿利·伯克级驱逐舰的动力系统具有一定代表性，4台燃气轮机的主要功能是通过两根轴驱动可控螺距螺旋桨，另有3台燃气轮机负责给舰上供电。后来，为提高燃油效率，美国海军曾在DDG-103特鲁斯顿号驱逐舰上进行了混动系统的实验，试图在低速航行时切换为电机推进。
20世纪90年代，欧美一些海洋国家为应对未来海战，对舰船作战能力、操纵性能等提出了新要求。其中，在舰船电力推进基础上，相关研发人员设计了“综合电站”以满足舰船推进、日用设备、高能武器用电需求，并逐步发展为“战舰综合电力系统”。当前，英国45型驱逐舰、伊丽莎白女王号航母以及美国DDG-1000朱姆沃尔特号驱逐舰，都采用了综合电力系统。以朱姆沃尔特号为例，该舰搭载了2台燃气轮机发电机组以及2台辅助用的RR4500发电机组，总发电量约为78MW，其中，有68MW用于动力推进，10MW用于为舰上其他设备供电。
一般来说，战舰综合电力系统由发电、输配电、变配电、推进、储能、能量管理6个分系统组成。其中，发电分系统由原动机和发电机组成，用于将原动机的机械能转变为电能；输配电分系统由电缆、母线、断路器和保护装置组成，将电能传送到用电设备，且具有自动识别和隔离系统故障的功能；变配电分系统根据用电设备的电能需求实现电制、电压和频率的变换，给日用设备、脉冲负载和通信导航设备供电；推进分系统由推进变频器和推进电机组成，推进变频器为推进电机输入电能并控制其转速，推动舰船航行；储能分系统用于系统电能的存储和释放，根据脉冲负载的需求为其供电，支撑系统安全稳定运行；能量管理分系统用于系统的监测、控制和能量的管理。
战场优势明显
战舰综合电力系统之所以成为多国关注的重点和研发方向，源于其具有诸多面向未来海战场的优势。
一是可为高能武器上舰提供条件。当前，随着现代战舰上的电子设备和装备越来越多，对电力的需求也水涨船高。要让这些新装备发挥作用，就必须补齐电力方面的缺口。采用战舰综合电力系统，有利于解决这些问题。以阿利·伯克级驱逐舰为例，其发电功率为7.5MW，无法满足后续舰计划装备14MW大功率雷达的需求。因此，美海军试图将该级舰之前的机械推进系统改为机电混合式推进系统，以满足该型雷达的需求。从一些国家的研发计划来看，不少已将采用综合电力系统作为一种选择，以满足高能武器、大功率电子设备在电力方面的需求。
二是有利于优化战舰上设备、装备布局。战舰综合电力系统没有像机械推进那样的大型部件和装置，如齿轮箱、传动轴等，原动机的布置也没有主轴束缚，变得更加灵活。这样，设计人员就可从整体上对战舰上的一些装备和设备布局进行调整，使战舰空间使用更加充分。
三是提高综合作战效能。这方面，战舰综合电力系统带来的好处更多。如电力推进以电缆代替主轴，可显著降低机械噪声，提高战舰的隐身性；推进电机能实现无级调速，明显提高对指令的响应速度，使操作人员获得更好的操作体验；原动机始终高效运行，油耗较低，续航力高；可通过多种方式和途径保证综合电力系统运行的效能和可靠性，并使其具有很强的抗故障能力。
四是可在“减人”的同时实现增效。战舰综合电力系统通常会采用先进的自动化控制技术，实现对自身运行的无人监测和自动控制。如此，需要较少的人员就可对其进行操控，还能降低舰员的工作强度。美国研究人员曾对阿利·伯克级和朱姆沃尔特级驱逐舰做过对比，未采用综合电力系统的阿利·伯克级驱逐舰编制为24名军官、272名士兵，而采用综合电力系统的朱姆沃尔特级驱逐舰只需编制14名军官、106名士兵。
技术有待完善
战舰的动力系统，关系到航速、续航力、机动性和隐蔽性等性能，相当于舰船至关重要的“心脏”。作为舰船推进系统与电力系统的联合，综合电力系统是将全舰所需的能源以电力的形式集中提供，统一调度、分配和管理。可以说，综合电力推进系统代表了当前世界海军舰船最先进的推进方式。然而，一些技术门槛的存在和使用维护上的问题，使各国战舰综合电力系统的发展呈现出不同的状态。
英国45型驱逐舰在这方面可谓“命运多舛”。2009年，该型舰勇敢号在其首航跨越大西洋访问美国东岸时，突然彻底失去动力，不得不改道加拿大维修；2012年，勇敢号在波斯湾地区执行巡逻任务时，因高温导致动力系统罢工，紧急前往巴林维修。该型舰不屈号也有类似经历，在西非沿海行驶时，因高温导致停电，全舰陷入黑暗；2016年，该型舰邓肯号出海参加北约军演，结果不出3天就出现动力故障，被拖船拖回母港；2017年11月，英国6艘45型驱逐舰皆因动力系统故障无法使用。
需要指出的是，这些故障均源于其使用的综合电力系统。
美国朱姆沃尔特级驱逐舰也遭遇类似情况：2016年11月，朱姆沃尔特号驱逐舰在通过巴拿马运河下半段，驶往母港圣迭戈途中，突然失去动力，不得不滞留在巴拿马的罗德曼海军基地内；2018年，该级舰迈克尔·蒙苏尔号因一台发动机在测试中发生故障，当年秋季之前都无法列装，虽然后来的检查结果显示，是燃气轮机叶片断裂引发的事故，并非电动系统出现问题，但这仍反映出，该燃气轮机叶片与综合电力系统的匹配还存在问题。
战舰综合电力系统虽然好处较多，且已有不少战舰采用，但这并不意味着性能上的尽善尽美。除了部分技术还不够成熟外，战舰综合电力系统还存在一些其他问题，如该系统需要输出效率很高的发电机组，其所占空间与自重仍然很大，只能应用在内部空间宽裕、搭载众多高耗能设备和武器的大吨位舰船上。这些问题，也需通过技术的不断提升一一解决。
然而，瑕不掩瑜，在各种战舰推进方式中，综合电力系统是后来者，也是最具潜力者。总的来看，其代表的不仅是动力升级，还可能是今后海战方式的变化，海军作战思维的转型。当舰船的“血液”从燃油变为电流，争夺制海权的战场已悄然出现在战舰内部。
供图：阳 明